Θυρίστορ: αρχή λειτουργίας, σχεδιασμός, τύποι και μέθοδοι συμπερίληψης

Η αρχή της λειτουργίας του θυρίστορ

Το θυρίστορ είναι ένας ηλεκτρονικός διακόπτης ισχύος, μη πλήρως ελεγχόμενος. Επομένως, μερικές φορές στην τεχνική βιβλιογραφία ονομάζεται θυρίστορ μίας λειτουργίας, το οποίο μπορεί να μεταβεί σε αγώγιμη κατάσταση μόνο από ένα σήμα ελέγχου, δηλαδή μπορεί να ενεργοποιηθεί. Για να το απενεργοποιήσετε (σε λειτουργία συνεχούς ρεύματος), πρέπει να ληφθούν ειδικά μέτρα για να εξασφαλιστεί ότι το συνεχές ρεύμα πέφτει στο μηδέν.

Ένας διακόπτης θυρίστορ μπορεί να μεταφέρει ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση και σε κλειστή κατάσταση μπορεί να αντέξει τόσο την τάση προς τα εμπρός όσο και την αντίστροφη τάση.

Το θυρίστορ έχει μια δομή τεσσάρων στρωμάτων p-n-p-n με τρεις απαγωγές: Άνοδος (A), Κάθοδος (C) και Πύλη (G), η οποία φαίνεται στο Σχ. 1

Ρύζι. 1. Συμβατικό θυρίστορ: α) — συμβατική γραφική ονομασία. β) — χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ.

Στο σχ. Το 1b δείχνει μια οικογένεια στατικών χαρακτηριστικών εξόδου I — V σε διαφορετικές τιμές του ρεύματος ελέγχου iG. Η περιοριστική τάση προς τα εμπρός που μπορεί να αντέξει το θυρίστορ χωρίς να το ανάψει έχει μέγιστες τιμές στο iG = 0.Καθώς το ρεύμα αυξάνεται, το iG μειώνει την τάση που μπορεί να αντέξει το θυρίστορ. Η κατάσταση ενεργοποίησης του θυρίστορ αντιστοιχεί στον κλάδο II, η κατάσταση απενεργοποίησης αντιστοιχεί στον κλάδο I και η διαδικασία μεταγωγής αντιστοιχεί στον κλάδο III. Το ρεύμα συγκράτησης ή το ρεύμα συγκράτησης είναι ίσο με το ελάχιστο επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα iA στο οποίο το θυρίστορ παραμένει αγώγιμο. Αυτή η τιμή αντιστοιχεί επίσης στην ελάχιστη δυνατή τιμή της πτώσης τάσης προς τα εμπρός στο θυρίστορ.

Ο κλάδος IV αντιπροσωπεύει την εξάρτηση του ρεύματος διαρροής από την αντίστροφη τάση. Όταν η αντίστροφη τάση υπερβαίνει την τιμή του UBO, αρχίζει μια απότομη αύξηση του αντίστροφου ρεύματος, που σχετίζεται με την αστοχία του θυρίστορ. Η φύση της βλάβης μπορεί να αντιστοιχεί σε μια μη αναστρέψιμη διεργασία ή σε μια διαδικασία κατάρρευσης χιονοστιβάδας που είναι εγγενής στη λειτουργία μιας διόδου zener ημιαγωγών.

Τα θυρίστορ είναι οι πιο ισχυροί ηλεκτρονικοί διακόπτες, ικανοί να αλλάζουν κυκλώματα με τάσεις έως 5 kV και ρεύματα έως 5 kA σε συχνότητα όχι μεγαλύτερη από 1 kHz.

Ο σχεδιασμός των θυρίστορ φαίνεται στο σχ. 2.

Ρύζι. 2. Ο σχεδιασμός των κουτιών θυρίστορ: α) — δισκίο. β) — καρφίτσα

Θυρίστορ συνεχούς ρεύματος

Ένα συμβατικό θυρίστορ ενεργοποιείται εφαρμόζοντας έναν παλμό ρεύματος στο κύκλωμα ελέγχου με θετική πολικότητα σε σχέση με την κάθοδο. Η διάρκεια του μεταβατικού κατά την ενεργοποίηση επηρεάζεται σημαντικά από τη φύση του φορτίου (ενεργό, επαγωγικό, κ.λπ.), το πλάτος και τον ρυθμό ανόδου του παλμού ρεύματος ελέγχου iG, τη θερμοκρασία της δομής ημιαγωγών του θυρίστορ, την εφαρμοζόμενη τάση και το ρεύμα φορτίου .Σε ένα κύκλωμα που περιέχει ένα θυρίστορ, δεν πρέπει να υπάρχουν απαράδεκτες τιμές ​​του ρυθμού ανόδου της μπροστινής τάσης duAC / dt, όπου μπορεί να συμβεί αυθόρμητη ενεργοποίηση του θυρίστορ απουσία του σήματος ελέγχου iG και του ρυθμού αύξηση από το τρέχον diA / dt. Ταυτόχρονα, η κλίση του σήματος ελέγχου πρέπει να είναι υψηλή.

Μεταξύ των τρόπων απενεργοποίησης θυρίστορ, είναι συνηθισμένο να γίνεται διάκριση μεταξύ της φυσικής απενεργοποίησης (ή φυσικής ενεργοποίησης) και της αναγκαστικής (ή τεχνητής απενεργοποίησης). Η φυσική μεταγωγή συμβαίνει όταν τα θυρίστορ λειτουργούν σε εναλλασσόμενα κυκλώματα τη στιγμή που το ρεύμα πέφτει στο μηδέν.

Οι μέθοδοι αναγκαστικής μεταγωγής είναι πολύ διαφορετικές.Οι πιο χαρακτηριστικές από αυτές είναι οι ακόλουθες: σύνδεση ενός προφορτισμένου πυκνωτή C με έναν διακόπτη S (Εικόνα 3, α). σύνδεση ενός κυκλώματος LC με έναν προφορτισμένο πυκνωτή CK (Εικόνα 3 β). τη χρήση της ταλαντωτικής φύσης της μεταβατικής διαδικασίας στο κύκλωμα φορτίου (Εικόνα 3, γ).

Ρύζι. 3. Μέθοδοι τεχνητής μεταγωγής θυρίστορ: α) — μέσω φορτισμένου πυκνωτή C. β) — μέσω ταλαντωτικής εκφόρτισης του κυκλώματος LC. γ) — λόγω της κυμαινόμενης φύσης του φορτίου

Κατά την εναλλαγή σύμφωνα με το διάγραμμα στην εικ. 3 και η σύνδεση ενός πυκνωτή μεταγωγής αντίστροφης πολικότητας, για παράδειγμα με ένα άλλο βοηθητικό θυρίστορ, θα προκαλέσει την εκφόρτισή του στο αγώγιμο κύριο θυρίστορ. Δεδομένου ότι το ρεύμα εκφόρτισης του πυκνωτή κατευθύνεται ενάντια στο μπροστινό ρεύμα του θυρίστορ, το τελευταίο μειώνεται στο μηδέν και το θυρίστορ σβήνει.

Στο διάγραμμα του σχ. 3, b, η σύνδεση του κυκλώματος LC προκαλεί μια ταλαντευόμενη εκφόρτιση του πυκνωτή μεταγωγής CK.Στην περίπτωση αυτή, στην αρχή, το ρεύμα εκφόρτισης ρέει μέσω του θυρίστορ αντίθετα από το προς τα εμπρός ρεύμα του, όταν γίνονται ίσα, το θυρίστορ σβήνει. Επιπλέον, το ρεύμα του κυκλώματος LC περνά από το θυρίστορ VS στη δίοδο VD. Καθώς το ρεύμα βρόχου ρέει μέσα από τη δίοδο VD, μια αντίστροφη τάση ίση με την πτώση τάσης στην ανοιχτή δίοδο θα εφαρμοστεί στο θυρίστορ VS.

Στο διάγραμμα του σχ. 3, η σύνδεση ενός θυρίστορ VS σε ένα πολύπλοκο φορτίο RLC θα προκαλέσει ένα παροδικό. Με ορισμένες παραμέτρους του φορτίου, αυτή η διαδικασία μπορεί να έχει ταλαντωτικό χαρακτήρα με αλλαγή στην πολικότητα του ρεύματος φορτίου μέσα. αντίθετη πολικότητα. Μερικές φορές αυτή η μέθοδος μεταγωγής ονομάζεται σχεδόν φυσική επειδή περιλαμβάνει μια αλλαγή στην πολικότητα του ρεύματος φορτίου.

Θυρίστορ AC

Όταν το θυρίστορ είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα AC, είναι δυνατές οι ακόλουθες λειτουργίες:

• ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ηλεκτρικού κυκλώματος με ενεργό και ενεργό αντιδραστικό φορτίο.

• αλλαγή στις μέσες και αποτελεσματικές τιμές ρεύματος μέσω του φορτίου λόγω του γεγονότος ότι είναι δυνατή η προσαρμογή του χρονισμού του σήματος ελέγχου.

Δεδομένου ότι ο διακόπτης θυρίστορ είναι ικανός να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα μόνο σε μία κατεύθυνση, τότε για τη χρήση θυρίστορ εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιείται η παράλληλη σύνδεσή τους (Εικ. 4, α).

Ρύζι. 4. Αντιπαράλληλη σύνδεση θυρίστορ (α) και το σχήμα του ρεύματος με ενεργό φορτίο (β)

Μέσος όρος και ενεργό ρεύμα ποικίλλουν λόγω μιας αλλαγής στον χρόνο κατά τον οποίο εφαρμόζονται τα σήματα ανοίγματος στα θυρίστορ VS1 και VS2, δηλ. αλλάζοντας τη γωνία και (Εικ. 4, β).Οι τιμές αυτής της γωνίας για τα θυρίστορ VS1 και VS2 κατά τη ρύθμιση αλλάζουν ταυτόχρονα από το σύστημα ελέγχου. Η γωνία ονομάζεται γωνία ελέγχου ή γωνία πυροδότησης του θυρίστορ.

Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες σε ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος είναι ο έλεγχος φάσης (Εικ. 4, α, β) και ο έλεγχος θυρίστορ με πλάτος παλμού (Εικ. 4, γ).

Ρύζι. 5. Τύπος τάσης φορτίου σε: α) — έλεγχος φάσης του θυρίστορ. β) — έλεγχος φάσης θυρίστορ με αναγκαστική εναλλαγή. γ) — Έλεγχος θυρίστορ πλάτους παλμού

Με τη μέθοδο ελέγχου φάσης του θυρίστορ με εξαναγκασμένη μεταγωγή, είναι δυνατή η ρύθμιση του ρεύματος φορτίου τόσο με αλλαγή γωνίας ? όσο και γωνίας ?... Η τεχνητή εναλλαγή πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικών κόμβων ή με τη χρήση πλήρως ελεγχόμενων (ασφαλιστικών) θυρίστορ.

Με τον έλεγχο πλάτους παλμού (διαμόρφωση πλάτους παλμού — PWM) κατά τη διάρκεια του Totkr, εφαρμόζεται ένα σήμα ελέγχου στα θυρίστορ, είναι ανοιχτά και η τάση Un εφαρμόζεται στο φορτίο. Κατά τη διάρκεια του χρόνου Tacr, το σήμα ελέγχου απουσιάζει και τα θυρίστορ βρίσκονται σε μη αγώγιμη κατάσταση. Τιμή RMS του ρεύματος στο φορτίο

όπου In.m. — ρεύμα φόρτωσης σε Tcl = 0.

Η καμπύλη ρεύματος στο φορτίο με έλεγχο φάσης των θυρίστορ είναι μη ημιτονοειδής, γεγονός που προκαλεί παραμόρφωση του σχήματος της τάσης του δικτύου τροφοδοσίας και διαταραχές στην εργασία των καταναλωτών ευαίσθητων σε διαταραχές υψηλής συχνότητας - συμβαίνει το λεγόμενο. Ηλεκτρομαγνητική ασυμβατότητα.

Κλείδωμα θυρίστορ

Τα θυρίστορ είναι οι πιο ισχυροί ηλεκτρονικοί διακόπτες που χρησιμοποιούνται για την εναλλαγή κυκλωμάτων υψηλής τάσης, υψηλού ρεύματος (υψηλού ρεύματος).Ωστόσο, έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα - ατελής δυνατότητα ελέγχου, η οποία εκδηλώνεται στο γεγονός ότι για να τα απενεργοποιήσετε, είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν συνθήκες για τη μείωση του μπροστινού ρεύματος στο μηδέν. Αυτό σε πολλές περιπτώσεις περιορίζει και περιπλέκει τη χρήση θυρίστορ.

Για να εξαλειφθεί αυτό το μειονέκτημα, έχουν αναπτυχθεί θυρίστορ που κλειδώνονται από ένα σήμα από το ηλεκτρόδιο ελέγχου G. Τέτοια θυρίστορ ονομάζονται θυρίστορ πύλης (GTO) ή διπλής λειτουργίας.

Τα θυρίστορ κλειδώματος (ZT) έχουν δομή τεσσάρων επιπέδων p-p-p-p, αλλά ταυτόχρονα έχουν μια σειρά από σημαντικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού που τους δίνουν μια εντελώς διαφορετική από τα παραδοσιακά θυρίστορ - την ιδιότητα του πλήρους ελέγχου. Το στατικό χαρακτηριστικό I-V των θυρίστορ απενεργοποίησης προς τα εμπρός είναι πανομοιότυπο με το χαρακτηριστικό I-V των συμβατικών θυρίστορ. Ωστόσο, το θυρίστορ κλειδώματος συνήθως δεν μπορεί να μπλοκάρει μεγάλες αντίστροφες τάσεις και συχνά συνδέεται με μια αντιπαράλληλη δίοδο. Επιπλέον, τα θυρίστορ κλειδώματος χαρακτηρίζονται από σημαντικές πτώσεις τάσης προς τα εμπρός. Για να απενεργοποιήσετε το θυρίστορ ασφάλισης, είναι απαραίτητο να εφαρμόσετε έναν ισχυρό παλμό αρνητικού ρεύματος (περίπου 1: 5 σε σχέση με την τιμή του σταθερού ρεύματος απενεργοποίησης) στο κύκλωμα του ηλεκτροδίου κλεισίματος, αλλά με μικρή διάρκεια (10- 100 μs).

Τα θυρίστορ κλειδώματος έχουν επίσης χαμηλότερες τάσεις και ρεύματα αποκοπής (περίπου 20-30%) από τα συμβατικά θυρίστορ.

Οι κύριοι τύποι θυρίστορ

Με εξαίρεση τα θυρίστορ κλειδώματος, έχει αναπτυχθεί ένα ευρύ φάσμα θυρίστορ διαφόρων τύπων, που διαφέρουν ως προς την ταχύτητα, τις διαδικασίες ελέγχου, την κατεύθυνση των ρευμάτων στην αγώγιμη κατάσταση κ.λπ.Μεταξύ αυτών, πρέπει να σημειωθούν οι ακόλουθοι τύποι:

• δίοδος θυρίστορ, η οποία είναι ισοδύναμη με θυρίστορ με αντιπαράλληλη συνδεδεμένη δίοδο (Εικ. 6.12, α).

• θυρίστορ διόδου (dynistor), μετάβαση σε αγώγιμη κατάσταση όταν ξεπεραστεί ένα συγκεκριμένο επίπεδο τάσης, εφαρμόζεται μεταξύ Α και C (Εικ. 6, β).

• θυρίστορ ασφάλισης (Εικ. 6.12, γ).

• συμμετρικό θυρίστορ ή τριάκ, που ισοδυναμεί με δύο αντιπαράλληλα συνδεδεμένα θυρίστορ (Εικ. 6.12, δ).

• θυρίστορ μετατροπέα υψηλής ταχύτητας (χρόνος απενεργοποίησης 5-50 μs).

• θυρίστορ πεδίου, για παράδειγμα, που βασίζεται σε συνδυασμό τρανζίστορ MOS με θυρίστορ.

• οπτικό θυρίστορ ελεγχόμενο από φωτεινή ροή.

Ρύζι. 6. Συμβατική γραφική ονομασία θυρίστορ: α) — δίοδος θυρίστορ. β) — θυρίστορ διόδου (dynistor). γ) — θυρίστορ ασφάλισης. δ) — τριακ

Προστασία θυρίστορ

Τα θυρίστορ είναι κρίσιμες συσκευές για τον ρυθμό ανόδου του μπροστινού ρεύματος diA / dt και την πτώση τάσης duAC / dt. Τα θυρίστορ, όπως και οι δίοδοι, χαρακτηρίζονται από το φαινόμενο του αντίστροφου ρεύματος ανάκτησης, του οποίου η απότομη πτώση στο μηδέν επιδεινώνει την πιθανότητα υπερτάσεων με υψηλή τιμή duAC / dt. Τέτοιες υπερτάσεις είναι το αποτέλεσμα μιας ξαφνικής διακοπής του ρεύματος στα επαγωγικά στοιχεία του κυκλώματος, συμπεριλαμβανομένων μικρές επαγωγές εγκατάσταση. Ως εκ τούτου, διάφορα σχήματα CFTCP χρησιμοποιούνται συνήθως για την προστασία θυρίστορ, τα οποία σε δυναμικές λειτουργίες παρέχουν προστασία από μη αποδεκτές τιμές diA / dt και duAC / dt.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, η εσωτερική επαγωγική αντίσταση των πηγών τάσης που περιλαμβάνονται στο κύκλωμα του παρεχόμενου θυρίστορ είναι επαρκής ώστε να μην εισάγεται πρόσθετη επαγωγή LS.Επομένως, στην πράξη, συχνά υπάρχει ανάγκη για CFT που μειώνουν το επίπεδο και την ταχύτητα των υπερτάσεων ενεργοποίησης (Εικ. 7).

Ρύζι. 7. Τυπικό κύκλωμα προστασίας θυρίστορ

Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται συνήθως κυκλώματα RC που συνδέονται παράλληλα με το θυρίστορ. Υπάρχουν διάφορες τροποποιήσεις κυκλωμάτων κυκλωμάτων RC και μέθοδοι υπολογισμού των παραμέτρων τους για διαφορετικές συνθήκες χρήσης θυρίστορ.

Για τα θυρίστορ κλειδώματος, τα κυκλώματα χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν μια διαδρομή μεταγωγής, παρόμοια σε κύκλωμα με τα τρανζίστορ CFTT.